(57)【要約】【課題】  薄板化した結晶性基板などのように、バッファ層が無い又は薄い場合においても、メッキにより形成する制御用電極に異常粒が成長することを抑制し、広帯域特性を有し、温度特性や基板損傷を改善した光制御デバイスを提供すること。【解決手段】  電気光学効果を有する結晶性基板１上に、制御用電極１１を電解メッキによって形成する光制御デバイスにおいて、該結晶性基板と該制御用電極との間に、少なくとも１層の電極配向等成長抑制層１０を有することを特徴とする。また、該電極配向等成長抑制層は、Ｇａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔａ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎｉ−Ｃｒ及びこれら材料の窒化物又は酸窒化物から選ばれる少なくとも一つの材料を使用することを特徴とする。【選択図】図２
2007122038.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する結晶性基板上に、制御用電極をメッキによって形成する光制御デバイスにおいて、
該結晶性基板と該制御用電極との間に、少なくとも１層の電極配向等成長抑制層を有し、
該電極配向等成長抑制層の厚みは、７５ｎｍ以上であることを特徴とする光制御デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の光制御デバイスにおいて、該制御用電極の厚みは、２μｍ以上であることを特徴とする光制御デバイス。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光制御デバイスにおいて、該電極配向等成長抑制層は、Ｇａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔａ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎｉ−Ｃｒ及びこれら材料の窒化物又は酸窒化物から選ばれる少なくとも一つの材料を使用することを特徴とする光制御デバイス。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の光制御デバイスにおいて、該電極配向等成長抑制層は、アモルファス又は多結晶質を形成していることを特徴とする光制御デバイス。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の光制御デバイスにおいて、該電極配向等成長抑制層が２以上の層構成から形成されていることを特徴とする光制御デバイス。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の光制御デバイスにおいて、該結晶性基板は、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムのいずれかを含む結晶であり、バッファ層を有していないことを特徴とする光制御デバイス。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の光制御デバイスにおいて、該結晶性基板は、ニオブ酸リチウム結晶のＸカット型の基板であり、該結晶性基板の厚みは、５０μｍ以下であることを特徴とする光制御デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光制御デバイスに関し、特に、電気光学効果を有する結晶性基板上に制御用電極を形成した光制御デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光通信分野や光測定分野において、電気光学効果を有する基板上に光導波路や変調電極を形成した導波路型光変調器などの光制御デバイスが多用されている。
光変調周波数の広帯域化を実現するためには、変調信号であるマイクロ波と光波との速度整合を図ることが重要であり、これまでに、様々な方法が考案されている。具体例を挙げれば、バッファ層の厚膜化、電極の高アスペクト化やリッジ構造などがこれにあたる。
【０００３】
また、以下の特許文献１又は２においては、３０μｍ以下の厚みを有する極めて薄い基板（以下、「第１基板」という。）に、光導波路並びに変調電極を組み込み、第１基板より誘電率の低い他の基板を接合し、マイクロ波に対する実効屈折率を下げ、マイクロ波と光波との速度整合を図ることが行われている。
【特許文献１】特開昭６４−１８１２１号公報
【特許文献２】特開２００３−２１５５１９号公報
【０００４】
これらのように、薄板化された第１基板を用いることで、光制御デバイスの設計自由度が飛躍的に高まり、例えばバッファ層を用いずとも、広帯域かつ低駆動電圧の光変調器などが作製可能となる。またさらに、マイクロ波の伝搬速度低減の観点からは、誘電率の低い材料を基板に用いることと同義に、第１基板を具体的には１５０μｍ以下とすることで、特に２６ＧＨｚ以上の領域においてマイクロ波自身の誘電体損（ｔａｎδ）の影響を低減できることが以下の非特許文献１により公開され、光変調器の広帯域化に適用されている。
【非特許文献１】Y.Yamane et.al., “Investigation of sandblast machining techniques for broadband LN modulators”, Sumitomo Osaka Cement Technical report 2002, pp49-54 (2003)
【０００５】
図１（ａ）に示すように、従来の数１００μｍ以上の厚みを有するニオブ酸リチウム（以下、「ＬＮ」という。）などの結晶性基板１を使用する場合には、光導波路４を基板上に形成し、その上に光波の吸収抑制や速度整合条件等の必要に応じてＳｉＯ２などによるバッファ層３を形成した後、信号電極や接地電極などから構成される制御用電極２が形成される。図１（ａ）では、Ｘカット型の光変調器の例を示すが、Ｚカット型の基板を使用する場合は、光導波路直上に制御用電極が配置されるため、必ずバッファ層が形成されている。
【０００６】
また、図１（ｂ）は、図１（ａ）の符号Ａで示した部分の拡大図であるが、バッファ層３の上には、Ｔｉ（２−１）及びＡｕ（２−２）を蒸着して変調用電極形成のための下地層を形成し、その上に電解メッキによりＡｕ電極（２−３）を形成している。
電極下地層は、通常、電極パターンに合わせて整形されるため、エッチングなどにより容易に除去可能とする必要がある。このため、電極下地層はエッチングにかかる時間、パターン精度の維持を考慮して、メッキの際に同電位が形成できる程度の必要最低限の膜厚に設定される。
【０００７】
しかしながら、上述したように薄板化された基板を用いる場合やＸカット型の基板を用いる場合には、バッファ層が不要あるいは通常より薄いバッファ層が形成されるに過ぎず、このような状況で、Ａｕ電極を電解メッキにより形成した場合には、電極表面が結晶粒の異常成長により肥大化し、広帯域の光制御デバイスを作成する際には、マイクロ波の散乱源となることが、本発明者らの研究により解明された。
【０００８】
特に、薄板化したＬＮ結晶性基板を用いた場合には、異常粒成長を起因とした応力が光導波路に影響を与え、温度特性の劣化や基板の損傷が起きることが分かった。また、異常粒成長部は、局所的にメッキ厚が高く（面内分布が大きく）、マイクロ波と光波との速度整合を満足できないため、広帯域の光制御デバイスを作成する上で、歩留まりが低下する原因ともなっていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、薄板化した結晶性基板などのように、バッファ層が無い又は薄い場合においても、電解メッキにより形成する制御用電極に異常粒が成長することを抑制し、広帯域特性を有し、温度特性や基板損傷を改善した光制御デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明では、電気光学効果を有する結晶性基板上に、制御用電極をメッキによって形成する光制御デバイスにおいて、該結晶性基板と該制御用電極との間に、少なくとも１層の電極配向等成長抑制層を有し、該電極配向等成長抑制層の厚みは、７５ｎｍ以上であることを特徴とする。
本発明における「電極配向等成長抑制層」とは、結晶性基板が持つ結晶の配向性や下地層のＡｕが示す配向性等による表面の粗等が、該基板上に形成される電極の構造に影響を及ぼし、電極に異常粒が成長することを抑制する機能を有する層を意味する。
【００１１】
請求項２に係る発明では、請求項１に記載の光制御デバイスにおいて、該制御用電極の厚みは、２μｍ以上であることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明では、請求項１又は２に記載の光制御デバイスにおいて、該電極配向等成長抑制層は、Ｇａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔａ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎｉ−Ｃｒ及びこれら材料の窒化物又は酸窒化物から選ばれる少なくとも一つの材料を使用することを特徴とする。
【００１３】
請求項４に係る発明では、請求項１乃至３のいずれかに記載の光制御デバイスにおいて、該電極配向等成長抑制層は、アモルファス又は多結晶質を形成していることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に係る発明では、請求項１乃至４のいずれかに記載の光制御デバイスにおいて、該電極配向等成長抑制層が２以上の層構成から形成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項６に係る発明では、請求項１乃至５のいずれかに記載の光制御デバイスにおいて、該結晶性基板は、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムのいずれかを含む結晶であり、バッファ層を有していないことを特徴とする。
【００１６】
請求項７に係る発明では、請求項１乃至６のいずれかに記載の光制御デバイスにおいて、該結晶性基板は、ニオブ酸リチウム結晶のＸカット型の基板であり、該結晶性基板の厚みは、５０μｍ以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に係る発明により、結晶性基板と制御用電極との間に、少なくとも１層の電極配向等成長抑制層を有し、該電極配向等成長抑制層の厚みは、７５ｎｍ以上であるため、結晶性基板の結晶の配向性等が電極構造に与える影響が抑制でき、電極の異常粒成長を防止し、高周波特性に優れた制御用電極を形成できると共に、温度特性や基板損傷を改善した光制御デバイスを提供することが可能となる。
なお、電極配向等成長抑制層の厚みは、７５ｎｍ以上が好ましいが、より好ましくは、電極配向等成長抑制層の厚みが１００ｎｍ以上である。
【００１８】
請求項２に係る発明により、制御用電極の厚みは、２μｍ以上であるため、マイクロ波と伝搬する光波との速度整合を行い易くなると共に、本発明の電極配向等成長抑制層により、電極の異常粒成長を効果的に抑制することが可能となる。しかも、制御用電極の厚みを大きくすることにより、電極から基板に加わる熱応力が大きくなる場合でも、電極配向等成長抑制層が、該応力の緩和に寄与する。
【００１９】
請求項３に係る発明により、電極配向等成長抑制層は、Ｇａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔａ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎｉ−Ｃｒ及びこれら材料の窒化物又は酸窒化物から選ばれる少なくとも一つの材料を使用するため、結晶性基板の結晶の配向性等が電極構造に与える影響が効果的に抑制でき、電極の異常粒成長を防止することが可能となる。また、選択材料によっては電極の基板への接着性を改善したり、焦電効果を抑制する、バッファ層への不純物汚染を抑制するなど他の機能も併せて付与することも可能となる。
【００２０】
請求項４に係る発明により、電極配向等成長抑制層は、アモルファス又は多結晶質を形成しているため、電極配向等成長抑制層の結晶構造が結晶性基板の結晶と比較し、よりランダム状態となり、結晶性基板の配向性等が電極構造に与える影響をより効果的に抑制でき、電極の異常粒成長を防止することが可能となる。
【００２１】
請求項５に係る発明により、電極配向等成長抑制層が２以上の層構成から形成されているため、各層で異なる材料や異なる構造を採用することで、結晶性基板の結晶の配向性等が電極構造に与える影響をより効果的に抑制でき、電極の異常粒成長を防止することが可能となる。
【００２２】
請求項６に係る発明により、結晶性基板は、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムのいずれかを含む結晶であり、バッファ層を有していないため、特に電極の異常粒成長が発生し易い、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムの結晶を使用した場合においても、電極配向等成長抑制層が異常粒成長を効果的に抑制することが可能となる。
【００２３】
請求項７に係る発明により、結晶性基板は、ニオブ酸リチウム結晶のＸカット型の基板であり、該結晶性基板の厚みは、５０μｍ以下であるため、特に電極の異常粒成長が発生し易い、ニオブ酸リチウムの結晶を使用し、バッファ層を必ずしも必要としないＸカット型の基板の場合においても、電極配向等成長抑制層が異常粒成長を効果的に抑制することが可能となる。
また、結晶性基板の厚みが５０μｍ以下となる場合には、従来のようなバッファ層を配さずとも広帯域型光制御デバイス設計が可能となる反面、電極の異常粒成長が発生し易くなるが、本発明の電極配向等成長抑制層により、この異常粒成長を効果的に抑制することが可能となる。
しかも、結晶性基板を伝搬する光波と制御用電極を伝搬するマイクロ波との速度整合を図るため、制御用電極の厚みを大きくする場合には、電極から基板に加わる熱応力が大きくなる。このような場合でも、電極配向等成長抑制層が、該応力の緩和に寄与し、特に基板の厚みが、電極の厚みより薄い場合には、応力緩和の効果的が高く、光制御デバイスの温度特性や基板損傷を改善することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、図２に示すように、電気光学効果を有する結晶性基板１上に、制御用電極１１をメッキによって形成する光制御デバイスにおいて、該結晶性基板１と該制御用電極１１との間に、少なくとも１層の電極配向等成長抑制層１０を有することを特徴とする。
【００２５】
電気光学効果を有する結晶性基板としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料及びこれらの組み合わせが利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）結晶が好適に利用される。また、結晶性基板として、Ｘカット型の基板を使用した場合には、Ｚカット型の場合より、電極の異常粒成長が発生し易いため、本発明の電極配向等成長抑制層を効果的に用いることが可能となる。
【００２６】
制御用電極は、信号電極、接地電極又はＤＣ電極など光制御デバイスを駆動するために、結晶性基板上に形成される種々の電極を含むものである。制御用電極を形成するには、ＴｉやＡｕなどの下地層を蒸着法で形成し、フォトリソグラフィー法により所定の電極パターンを残して下地層をマスクし、電解メッキ法あるいは無電解メッキ法によりＡｕ電極を形成する。その後、フォトレジスト膜や下地層の一部をウェットエッチングにより除去する。
【００２７】
本発明においては、電極配向等成長抑制層１０を基板１の表面に形成した後、上記下地層を該電極配向等成長抑制層上に形成し、上記プロセスにて電極を形成することも可能である。当然、電極配向等成長抑制層が導電性を有する場合には、基板表面に下地層又は接合層を形成し、その上に電極配向等成長抑制層を形成することも可能であるが、製造プロセスの複雑化を避けるため、上記下地層の一部又は全部と電極配向等成長抑制層とを兼用することが好ましい。
なお、制御用電極の厚みを２μｍ以上、より好ましくは１０μｍ以上とすることにより、変調信号であるマイクロ波と伝搬する光波との速度整合を行い易くなるなどの利点も実現することができる。
【００２８】
電極配向等成長抑制層としては、Ｇａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔａ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎｉ−Ｃｒ及びこれら材料の窒化物又は酸窒化物から選ばれる少なくとも一つの材料を使用することができ、例えば、Ｔｉ，ＮＩ−Ｃｒ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｓｉ，ＳｉＮ，ＳｉＯＮを使用する場合には、電極の基板への接着性を向上させることが可能であり、ＳｉやＧａを使用する場合には、焦電効果を抑制すること、ＴａやＴａＮ、Ｗ、ＳｉＮ、ＳｉＯＮを使用する場合にはバッファ層への不純物拡散を抑制することも可能となる。
また、電極配向等成長抑制層が導電性を有する場合には、エッチングやフォトリソグラフィー法などで電極パターンに対応する形状に整形する必要があるが、変調信号等の電極印加に際し障害とならない程度に抵抗値が高い場合には、基板表面全体に電極配向等成長抑制層を形成することも可能である。ただし基板表面全体に形成する場合には、光導波路を伝搬する光波を吸収することの無い材料を選定する必要がある。
【００２９】
また、電極配向等成長抑制層の結晶構造を、アモルファス又は多結晶質とすることにより、電極配向等成長抑制層の結晶構造が結晶性基板の結晶と比較し、よりランダム状態となり、結晶性基板の配向性や下地層のＡｕが示す配向性等が電極構造に与える影響をより効果的に抑制可能となる。
さらに、電極配向等成長抑制層の厚みを、７５ｎｍ以上、好ましくは１００ｎｍ以上とすることにより、結晶性基板の結晶の配向性等が電極構造に与える影響をより一層抑制することが可能となる。ただし、電極配向等成長抑制層の厚みを厚くし過ぎると、電極パターンなどに対応して当該層をエッチングする際に、時間が掛ることとなり製造効率の低下やサイドエッチング量の増加に伴うパターン精度低下の原因となる。また、エッチングを行わない場合でも、基板内の光導波路と制御用電極との間隔が大きくなり、変調効率の低下原因ともなるため、電極配向等成長抑制層の厚みは３００ｎｍ以下の厚みに抑えることが好ましい。
【００３０】
また、電極配向等成長抑制層は、構成元素の格子定数が該結晶性基板の格子定数に対し１０％以上の差を有するように設定することが好ましい。これにより、これらの格子定数の違いにより得られる電極配向等成長抑制層はアモルファスまたは多結晶を形成しやすく結晶性基板の結晶の配向性等が電極構造に与える影響をより効果的に抑制でき、電極の異常粒成長を防止することが可能となる。
【００３１】
図３に示すように、電極配向等成長抑制層を、２以上の層（１０−１，１０−２）構成から形成することも可能である。このように、複数の層で電極配向等成長抑制層を構成することにより、各層で異なる材料を使用したり、異なる結晶構造を採用することで、相乗効果が得られ、結晶性基板の結晶の配向性等が電極構造に与える影響を一層抑制することが可能となる。さらに、複数の層で電極配向等成長抑制層を構成することにより、電極配向等成長抑制層が電気光学効果を有する結晶基板へ与える影響、例えばそれぞれの膜応力を互いに打ち消すことにより、より温度特性に優れたデバイスを提供することが可能となる。
【００３２】
また、結晶性基板の厚みを５０μｍ以下とした場合には、結晶性基板と制御用電極との間にバッファ層を設けることが不要となり、仮に０．３μｍ以下のバッファ層を形成した場合でも、通常であるなら結晶性基板の結晶の配向性等が電極構造に影響を与えることが危惧されるが、本発明の電極配向等成長抑制層を用いることにより、効果的にこの影響を抑制することが可能となる。
他方、結晶性基板を伝搬する光波と制御用電極を伝搬するマイクロ波との速度整合を図るため、制御用電極の厚みを大きくするのが好ましく、このため、結晶性基板の厚みに対して電極の厚みがより大きくなり、電極から基板に加わる熱応力の影響も大きくなる。しかしながら、本発明の電極配向等成長抑制層が、該応力の緩和に寄与し、特に基板の厚みが、電極の厚みより薄い場合でも、電極配向等成長抑制層の応力緩和効果により、温度特性や基板損傷を改善した光制御デバイスを提供することが可能となる。
なお、５０μｍ以下の厚みを有する結晶性基板（薄板）を用いる場合には、薄板の機械的強度が低いため、補強板を薄板の裏面に、接着剤又は直接接合法を使用して接合させる。
【実施例】
【００３３】
（実施例）
結晶性基板として、厚み５００μｍのＸカット型ＬＮ基板を用い、Ｔｉ拡散法により光導波路を形成した後、該基板上に電極配向等成長抑制層としてＴｉ膜を１００ｎｍの厚みで蒸着法で形成した。次に、Ｔｉ膜上に下地層としてＡｕ膜を３５ｎｍの厚みで同じ蒸着法で形成した。
フォトリソグラフィー工程を経て、電極パターンに対応するフォトレジストマスクを形成し、電解メッキにより高さ３０μｍのＡｕ電極を形成した。その後、フォトレジストマスクの全部と、下地層及び電極配向等成長抑制層の一部をウエットエッチングにより除去した。
【００３４】
電極を形成した基板表面には熱可塑性樹脂を塗布し、研磨用ジグに該基板を貼り付け固定後、基板の裏面を、ラップ盤研磨機（キャリア：ガラス繊維入エポキシ樹脂  ラップ剤：ＧＣ＃１２００  ２０ｗｔ％ａｑ）にて、回転速度３５ｒｐｍ、ラップ圧１２．７５〜９．８１ｋＰａの条件下において基板の厚さがおよそ５０μｍとなるまで粗研磨する。この後、パット材質に不織布、加工液にはコロイダルシリカを用いたメカノケミカルポリッシング（ＣＭＰ）により設定厚まで精密鏡面研磨を行った。今回、基板の設定厚は１０μｍとし、広帯域型の光制御デバイスを作製した。
【００３５】
（比較例）
基板上に形成するＴｉ膜の厚みを５０ｎｍとする以外は、実施例と同様に光制御デバイスを作成した。
【００３６】
実施例及び比較例における電極表面の状態を、図４（実施例）及び図５（比較例）に示す。
図４及び図５から理解できるように、Ｔｉ膜の厚みを１００ｎｍとして電極配向等成長抑制層の役割をもたせた場合には、電極表面に結晶粒の異常成長が観測されず、従来のＴｉ膜の厚みを５０ｎｍとする場合には、結晶粒の異常成長が出現している。
【００３７】
これにより、本発明に係る光制御デバイスにおいては、電極配向等成長抑制層を用いることで、電極表面に結晶粒の異常成長が出現するのが抑制でき、制御用電極でのマイクロ波の散乱を防止することが可能となる。また、結晶粒の発生により、結晶粒の領域とそれ以外の領域（例えばアモルファス部）との間で熱膨張率の差が生じ、温度変化による電極内部の応力が発生することで温度特性が悪化する現象や、場合によっては薄板基板が損傷する現象などを、本発明により効果的に抑制することが可能となる。
なお、今回の実施例では電界メッキ法によりＡｕ電極を形成したが、本発明はこれ以外にも無電界Ａｕ、電界Ｃｕ、電界Ａｇ、無電界Ｃｕ、無電界Ａｇ、電界Ｎｉを用いた各種メッキ法においても有用である。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明に係る光制御デバイスによれば、薄板化した結晶性基板などのように、バッファ層が無い又は薄い場合においても、メッキにより形成する制御用電極に異常粒が成長することを抑制し、広帯域特性を有し、温度特性や基板損傷を改善した光制御デバイスを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】従来の光制御デバイスの断面図を示す。
【図２】本発明に係る光制御デバイスの一部を示す図である。
【図３】本発明に係る光制御デバイスの他の実施例の一部を示す図である。
【図４】実施例の電極表面の状態を示す写真である。
【図５】比較例の電極表面の状態を示す写真である。
【符号の説明】
【００４０】
１  結晶性基板
２，１１  制御用電極
３  バッファ層
４  光導波路
１０  電極配向等成長抑制層
【図１】
2007122038.tif 000003
【図２】
2007122038.tif 000004
【図３】
2007122038.tif 000005
【図４】
2007122038.tif 000006
【図５】
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